室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

杜 波

(長春工程學院電氣與信息工程學院，長春 130012)

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

杜 波

(長春工程學院電氣與信息工程學院，長春 130012)

室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控器，對甲醛、二氧化碳、一氧化碳、可吸入顆粒、溫度、濕度信號進行采集和顯示，通過鍵盤設(shè)置報警值，配有蜂鳴報警電路和外擴存儲電路，系統(tǒng)通過USB接口與上位機進行通訊，實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的歷史查詢和實時監(jiān)測。系統(tǒng)由電池供電，具有便攜式特點，功能實用，方便人們生活，提升生活質(zhì)量。

室內(nèi)空氣質(zhì)量；實時監(jiān)測；通訊；STC89C52

0 前言

進入21世紀以來，隨著經(jīng)濟的大力發(fā)展和科技的進步，人們的生活水平顯著提高，但裝修、取暖、電器使用等方面也帶來了一個嚴峻的問題——室內(nèi)空氣質(zhì)量的急劇下降。目前人們一天中有80%的時間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，直接影響著人們的身體健康，因此，時刻關(guān)注室內(nèi)空氣的質(zhì)量變得尤為重要。

世界衛(wèi)生組織2011年在其總部瑞士日內(nèi)瓦發(fā)布了一份名為《室內(nèi)空氣質(zhì)量指南》的有關(guān)室內(nèi)空氣質(zhì)量標準的報告，這是世界衛(wèi)生組織首次公布對身體健康產(chǎn)生影響的室內(nèi)空氣有毒物質(zhì)的量化標準。報告稱，在歐洲地區(qū)，每年至少有400人死于一氧化碳中毒，14%的肺癌患者是由于吸入了居室中的氡造成的，有足夠證據(jù)表明空氣中的苯與白血病有著因果關(guān)系，報告還指出室內(nèi)空氣的污染源主要來自4個方面，比如水泥、涂料、油漆、家具等建筑和建材材料，家電等室內(nèi)設(shè)備，還有取暖和做飯過程中產(chǎn)生的煙塵廢氣等等。

我國目前對于室內(nèi)空氣質(zhì)量的認知度和重視度還遠遠不夠，針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種便攜式的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對空氣質(zhì)量進行實時檢測和報警，以對室內(nèi)人員進行提示，維護人們的身體健康。

1 設(shè)計方案

設(shè)計以單片機為主控器，通過傳感器對甲醛、可吸入顆粒物、溫度、濕度等信號進行檢測，通過鍵盤對各檢測指標的上限或下限進行設(shè)定，具有LCD顯示和報警提示功能，具備便攜式特點，可電池供電，同時數(shù)據(jù)傳入上位機進行顯示和儲存，便于遠程監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

選用STC89C52為主控器，整個電路由傳感器采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路、報警和外擴存儲電路、通訊接口電路和電源電路組成。

2.1 溫濕度采集電路設(shè)計

溫濕度傳感器選用AM2303，AM2303數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，傳感器包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件器件，測溫范圍為-40～125 ℃，3處引線(單總線接口)，連接方便，器件實物圖和接口電路圖如圖2～3所示。

圖2 AM2303實物圖

圖3 溫濕度采集電路圖

2.2 可吸入顆粒采集電路設(shè)計

可吸入顆粒傳感器選用GP2Y1010AUOFC01，模擬電壓輸出、數(shù)字串口輸出兩種形式，輸出模擬量電壓范圍為0～5 V，可吸入顆粒量程范圍為25～500 ug/m3。可吸入顆粒采集電路如圖4所示。

圖4 可吸入顆粒采集電路圖

2.3 二氧化碳氣體采集電路設(shè)計

二氧化碳氣體傳感器選用SK-500-MIC，有串行數(shù)據(jù)輸出和模擬量輸出兩種形式，模擬量輸出范圍為TTL(標配)0.4～2.0 VDC(常規(guī))，/4～20 mA，二氧化碳氣體采集電路如圖5所示。

圖5 二氧化碳氣體采集電路圖

2.4 一氧化碳氣體采集電路設(shè)計

一氧化碳氣體傳感器選用ME2—CO，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學氧化過程，待測氣體電化學反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其質(zhì)量分數(shù)成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體質(zhì)量分數(shù)[2]。ME2—CO的量程為0～1 000 ppm，輸出質(zhì)量分數(shù)與輸出電壓對應(yīng)曲線如圖6所示，一氧化碳氣體采集接口電路如圖7所示。

圖6 質(zhì)量分數(shù)線形圖(一氧化碳)

圖7 一氧化碳氣體采集電路圖

由圖6可知，傳感器輸出電壓范圍為0～2.5 mV，為了能與ADC0809轉(zhuǎn)換電壓相匹配，采用放大電路將輸出電壓放大，如圖7采用兩級反相比例放大，第一級放大倍數(shù)為-100，二級放大倍數(shù)為-20，最后放大倍數(shù)為2 000，即輸出電壓范圍為0～5 V。

2.5 甲醛氣體采集電路設(shè)計

甲醛氣體傳感器選用ME2—CH2O，ME2—CH2O為燃料電池型電化學傳感器，甲醛和氧氣在工作電極和對電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與甲醛的質(zhì)量分數(shù)成正比并遵循法拉第定律，通過測試電流的大小即可判定甲醛質(zhì)量分數(shù)的高低。ME2—CH2O檢測甲醛氣體量程為0～5×10-6，輸出電流與質(zhì)量分數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。

圖8 濃度線形圖

圖9 甲醛氣體采集電路圖

由圖8可知，該傳感器輸出電流范圍為0～2.25 uA，采用放大電路將電流轉(zhuǎn)化為電壓，并進行放大，輸出電壓范圍是0～4.5 V。接口電路圖如圖9所示。

2.6 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，可對8路模擬量進行輸入轉(zhuǎn)換，8位數(shù)字量輸出，可與STC89C52單片機直接相連。分別采集電路輸出的可吸入顆粒、CO、CO2、CH2O的模擬量進行轉(zhuǎn)換。

2.7 鍵盤顯示電路設(shè)計

鍵盤電路中K1調(diào)節(jié)報警值上限，K2調(diào)節(jié)報警值下限。顯示電路采用液晶顯示器LCD1602，鍵盤顯示電路如圖10所示。

圖10 鍵盤顯示電路圖

2.8 報警電路和外擴存儲電路設(shè)計

報警電路采用蜂鳴報警。當檢測氣體測量值超限時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲以提醒室內(nèi)的人。由于設(shè)計數(shù)據(jù)采集量過大，因此需要外擴存儲器，采用的存儲器芯片為AT24C04。報警電路和外擴存儲電路如圖11和圖12所示。

圖11 報警電路圖

2.9 通訊接口電路設(shè)計

為了將采集數(shù)據(jù)進行整理和備份，設(shè)計通訊接口電路，及時上傳采集數(shù)據(jù)，接口電路圖如圖13所示。

圖12 外擴存儲電路電路圖

圖13 USB接口電路圖

2.10 電源電路設(shè)計

電源由4節(jié)干電池供電，發(fā)光二極管的作用是防止電池反接對整個電路造成損壞。STC89C52的工作電壓范圍為4.5～5.5 V，4節(jié)干電池提供的電壓是6 V，二極管的管壓降為0.7 V，提供到單片機的電壓為5.3 V，符合單片機的工作電壓。電源接口電路如圖14所示。

圖14 電源電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機程序設(shè)計

在主控器單片機主程序中，可實現(xiàn)：通過鍵盤對報警值上下限進行設(shè)置，對數(shù)字量輸出溫濕度信號進行采集，對采集電路輸出的可吸入顆粒、CO、CO2、CH2O的模擬量進行采集轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進行處理后進行顯示和報警處理，并與上位機進行通訊。

3.2 上位機界面設(shè)計

上位機的編程語言為C語言，運行環(huán)境為VS2013。上位機界面如圖16～17所示，歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖18～23所示。

圖15 單片機主程序流程圖

圖16 未進行連接的上位機界面

圖17 連接成功的上位機界面

4 結(jié)語

設(shè)計室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對室內(nèi)空氣進行實時檢測，對空氣質(zhì)量進行提示和報警，維護了人類身體健康。設(shè)計以單片機STC89C52為主控器，選擇合適的傳感器對甲醛、可吸入顆粒物、溫度、濕度等信號進行檢測，可通過鍵盤對各檢測指標的上限或下限進行設(shè)定，具有顯示和報警提示功能，具備便攜式特點，可電池供電。系統(tǒng)可檢測多種氣體，配備通訊接口，具備鍵盤顯示功能，功能實用，方便人們生活，提升生活質(zhì)量。

圖18 溫度歷史數(shù)據(jù)

圖19 濕度歷史數(shù)據(jù)

圖20 PM2.5歷史數(shù)據(jù)

圖21 CO2質(zhì)量分數(shù)歷史數(shù)據(jù)

圖22 CO質(zhì)量分數(shù)歷史數(shù)據(jù)

圖23 甲醛質(zhì)量分數(shù)歷史數(shù)據(jù)

[1] 吳慧山.室內(nèi)裝修要警惕氡、甲醛、苯等危害[M].北京：原子能出版社,2000:8-10.

[2] 劉暢生,鐘龍.傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路.壓力傳感器分冊[M].西安：西安科大出版社,2007:10-18.

[3] 李萍.基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D].成都：西南交通大學,2010,36(5):52-54.

[4] 王海寶,吳婷婷,吳光杰.基于LabVIEW的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2011,19(3):525-527.

[5] 汪志國,齊文啟.環(huán)境監(jiān)測儀器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J].現(xiàn)代科學,2007(4):32-35.

[6] 潘小川.室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康的影響[J].中國科學基金,2005，19(4):205-208.

[7] 戴自祝.室內(nèi)空氣質(zhì)量與通風空調(diào)[J].中國衛(wèi)生工程學，2002，1(1):54-56.

[8] 崔九思.室內(nèi)空氣污染監(jiān)測[J].中國環(huán)境衛(wèi)生,2003(3):3-11.

The Design of Indoor Air Quality Detection System

DU Bo

(DepartmentofElectric&InformationEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Indoor air quality detection system with STC89C52 single-chip microcomputer as the master controller collects and displays the signals of formaldehyde，carbon dioxide，carbon monoxide，inhalable particles，temperature，and humidity.The alarm concentration value is set through the keyboard design，with a buzzer alarm circuit and an external expansion storage circuit.The system communicates with host computer by USB interface to realize the historical inquiry and real-time monitoring of the detection data.The system is powered by batteries，has the characteristics of portable and practical to facilitate people’s lives and improve the quality of life.

indoor air quality；real-time monitoring；communication；STC89C52

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.021

2016-10-26

吉林省科技廳(20150204008SF)

杜波(1976-),女(漢),長春,副教授 主要研究檢測技術(shù)與自動化裝置。

TP29

A

1009-8984(2016)04-0080-05